智能巡線小車的多模式速度控制系統(tǒng)

摘要：介紹了基于Freescale HCS12系列單片機(jī)的智能巡線小車多模式速度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該速度控制系統(tǒng)主要由直流電機(jī)驅(qū)動電路、速度檢測模塊和無線通信模塊構(gòu)成，包含四種速度模式。介紹了速度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并分析了其主要模塊的工作原理。介紹了軟件思想和程序設(shè)計流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該多模式速度控制系統(tǒng)保證了智能巡線小車具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；多模式；制動；穩(wěn)定性；快速跟隨性

引言

目前，設(shè)計出具有智能化的產(chǎn)品已經(jīng)成為商家開發(fā)產(chǎn)品的目標(biāo)之一，也是學(xué)生課外科技活動的熱點(diǎn)之一；其中，專門針對具有自主巡線功能的智能小車的設(shè)計更是數(shù)不勝數(shù)，但大多數(shù)智能巡線小車只是完成了“智能化”所要求的各部分的功能，在小車速度的穩(wěn)定性和快速性上考慮的相對比較少。本文主要針對具有自主巡線功能的智能小車，設(shè)計出了一種多模式速度控制系統(tǒng)，可以使智能小車具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。同時，該速度控制系統(tǒng)的多模式設(shè)計思想也可以用在以其它系列單片機(jī)為控制核心的智能模型車上。

1 控制系統(tǒng)原理

多模式速度控制系統(tǒng)的速度模式有4種：1、開環(huán)加速模式2、反接制動模式3、能耗制動模式4、速度閉環(huán)運(yùn)行模式。系統(tǒng)模式通過速度測量值與給定值的偏差范圍進(jìn)行選擇，速度給定值由前方傳感器檢測到的路徑形狀進(jìn)行設(shè)定，而偏差范圍與模式選擇的關(guān)系根據(jù)電機(jī)自身的特性曲線和智能小車實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)定。

多模式速度控制系統(tǒng)由HCS12單片機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動電路、直流電機(jī)、速度檢測模塊和無線通信模塊組成。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波通過由H橋組成的驅(qū)動電路來控制直流電機(jī)的輸入電壓大小，速度檢測模塊通過旋轉(zhuǎn)編碼器把電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，無線通信模塊實(shí)現(xiàn)對速度控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測與調(diào)整，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和開發(fā)。整個速度控制系統(tǒng)的電源均由一節(jié)7.2V鎳鎘電池提供，控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)中使用低差壓穩(wěn)壓器LM2940將7.2V電源變?yōu)?V穩(wěn)壓電源輸出，可為單片機(jī)、速度檢測模塊和無線通信模塊等提供相應(yīng)的電源，也可減少電池電壓不穩(wěn)定給控制系統(tǒng)各個部分帶來的不良影響，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行【1】。

圖1  控制系統(tǒng)原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 直流電機(jī)驅(qū)動電路

系統(tǒng)中采用的直流電機(jī)型號為RS—380H。直流電機(jī)驅(qū)動采用飛思卡爾公司的5A 集成H 橋芯片MC33886。MC33886芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET 輸出電路，適合用來控制感性直流負(fù)載，可以提供連續(xù)的5A 電流，并且集成了過流保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)。直流電機(jī)驅(qū)動電路如圖2所示。

      
                         圖2  直流電機(jī)驅(qū)動電路

通過控制MC33886 的四根輸入線可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、能耗制動及反接制動。圖3為經(jīng)過簡化的H 橋電路，當(dāng)S1、S4 導(dǎo)通且S2、S3 截止時，電流正向流過電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；S2、S3 導(dǎo)通S1、S4 截止時，電流反向流過電機(jī)，適當(dāng)利用這個過程可以使電機(jī)處于反接制動狀態(tài)，迅速降低電機(jī)速度；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通且S1、S2 截止時，沒有電源加在電機(jī)上，可認(rèn)為電機(jī)一端直接與另一端連接在一起，此時電機(jī)處于能耗制動狀態(tài)。

本設(shè)計中使用兩片MC33886 并聯(lián)，一方面進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻對電機(jī)特性的影響，另一方面減小過流保護(hù)電路對電機(jī)啟動及制動時的影響【2】。

                                      圖3  簡化的H橋電路

    2.2 速度檢測模塊

通過在電機(jī)驅(qū)動軸的齒輪上加裝小型旋轉(zhuǎn)編碼器,使旋轉(zhuǎn)編碼器齒輪與電機(jī)驅(qū)動軸的齒輪進(jìn)行嚙合。這樣，就可通過實(shí)驗(yàn)測定每個脈沖對應(yīng)的智能小車運(yùn)行的距離；同時，可設(shè)定一個合適的定時中斷作為脈沖采樣周期，根據(jù)每個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖個數(shù)就可計算出智能小車的實(shí)際速度，這樣就使脈沖個數(shù)和智能小車實(shí)際速度具有了明確的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)際操作、測量非常方便。在本設(shè)計中，選用了OMRON E6A2-CS3E旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器采用5v 供電，單相輸出，每圈輸出60個脈沖，用在本系統(tǒng)中比較合適【3】。在采樣周期的選取中，考慮到脈沖計數(shù)器所能允許的最大值及脈沖計數(shù)值要參與實(shí)際的運(yùn)算，為了避免數(shù)據(jù)溢出，采樣周期不能選取過大。

2.3 無線通信模塊

本系統(tǒng)中的無線通信模塊是基于nRF403的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了MODBUS 通信協(xié)議。該模塊在智能小車參數(shù)測試及程序調(diào)試的過程中起到了很大的作用。在智能小車運(yùn)行的過程中，可以通過下位機(jī)將與小車運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)送到上位機(jī)，并可通過簡單的VB程序在上位機(jī)上顯示出相應(yīng)的狀態(tài)曲線，從而達(dá)到對智能小車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的目的。在PID參數(shù)整定過程中，根據(jù)小車的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和P、I、D參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響，可以通過上位機(jī)來改變下位機(jī)的P、I、D參數(shù)而不用重新燒寫程序，給系統(tǒng)的在線調(diào)試帶來了很大的方便。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

HCS12單片機(jī)內(nèi)置PWM模塊，在程序中只需調(diào)用相關(guān)函數(shù)設(shè)定PWM周期和寫入PWM占空比的值，就可以產(chǎn)生實(shí)際需要的PWM波【4】?？紤]到有多模式調(diào)節(jié)，對閉環(huán)控制的響應(yīng)速度要求不高，閉環(huán)控制采用了速度單閉環(huán)控制和位置式的PI控制算法，PI運(yùn)算的結(jié)果作為PWM占空比的設(shè)定值。采用速度單閉環(huán)控制既達(dá)到了多模式調(diào)節(jié)中閉環(huán)運(yùn)行模式的效果，同時也降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。在PI控制算法中，P、I參數(shù)整定的比較弱，這樣智能小車在過彎時的速度有一定的自然降落，可以防止智能小車脫離軌道?？刂葡到y(tǒng)程序主要采用C語言編寫，PI控制算法程序流程圖如圖4【5】。本文設(shè)計的多模式速度控制系統(tǒng)，可以作為一個比較完整的模塊調(diào)用，這樣很容易與路徑檢測系統(tǒng)相結(jié)合，形成完整的具有自主巡線功能的智能小車。

圖4  PI控制算法程序流程圖

本控制系統(tǒng)選擇了一通過CMOS攝像頭進(jìn)行道路識別的智能小車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過多次實(shí)驗(yàn)及觀察得出：速度偏差在±5%以內(nèi)智能小車運(yùn)行在速度閉環(huán)模式，小于-5%切換到開環(huán)加速模式，大于5%且小于6%切換到能耗制動模式，大于6%切換到反接制動模式，這樣可以使智能小車在不脫離軌道的情況下達(dá)到較快的速度，具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性能。

4 總結(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于，設(shè)計的速度控制系統(tǒng)具有四種速度模式：1、開環(huán)加速模式2、反接制動模式3、能耗制動模式4、速度閉環(huán)運(yùn)行模式。該多模式速度控制系統(tǒng)可以使智能小車在任何兩種速度模式之間進(jìn)行快速的切換，同時保證智能小車仍能很穩(wěn)定地運(yùn)行。該多模式速度控制系統(tǒng)適用于多種類型的智能小車，可以使智能小車根據(jù)路面條件的變化，在速度調(diào)節(jié)上具有更好的靈活性。